Regulacja odpowiedzi immunologicznej

• Geny • Antygeny • Przeciwciała • Komórki uczestniczące w rozwoju odporności • Cytokiny • Układ nerwowy i endokrynowy

Nadzieja Drela

Wydział Biologii UW, Zakład Immunologii

ndrela@biol.uw.edu.pl

Geny

A.K.ABBAS,A.H.LICHTMAN ,,Cellular and Molecular Immunology”2003

Geny MHC kontrolują odpowiedź immunologiczną

Examples of significant HLA and disease associations

Disease Associated

Alleles

Frequency in Relative

Risk Patients Control

Ankylosing spondylitis (zapalenie stawów kręgosłupa)

B27 90 9 87.4

Reiter's disease (zespół Reitera) B27 79 9 37.0

Acute anterior uveitis (zapalenie błony naczyniowej)

B27 52 9 10.4

Psoriasis vulgaris (łuszczyca) Cw6 87 33 13.3

Dermatitis herpetiformis (zapalenie opryszczkowe skóry)

DR3 85 26 15.4

Celiac Disease DR3 79 26 10.8

Insulin-dependent diabetes mellitus (IDD 1)

DR3/4 91 57 7.9

Roitt I., Brostoff J., Male D., Immunology, 2001, s. 187.

Skutki nieprawidłowej /braku ekspresji genów

Antygeny

Odporność vs tolerancja

Antygen Skutek: indukcja odporności

Skutek: indukcja tolerancji

Natura antygenu nierozpuszczalny agregat

monomeryczny, rozpuszczalny

Dawka antygenu pośrednia bardzo duża, bardzo mała

Droga podania podskórnie, domięśniowo

dożylnie

adiuwant + -

Nadmiar rozpuszczalnego antygenu

Li B

Brak sygnału 1

Tolerancja

Przetwarzanie antygenu nieefektywne, blokowanie receptorów

Brak lub słaba prezentacja Ag (MHC II/peptyd)

Ważny mechanizm utrzymania tolerancji na białka osocza (rozpuszczalne i o dużym stężeniu)

„Siła sygnału” w rozwoju odporności

Przeciwciała

Roitt I., Brostoff J., Male D., Immunology, 2001, s. 175.

Stymulacja/supresja odpowiedzi humoralnej przez przeciwciała

Eksperyment: wstrzyknięcie Ag z p-ciałami IgG lub IgM

Roitt I., Brostoff J., Male D., Immunology, 2001, s. 177.

Regulacyjna rola kompleksów Ag/Ab

• Przeciwciała rozpuszczalne konkurują o antygen

• Wiązanie kompleksów Ag:Ab przez receptor Fc

Supresja limfocytów B przez przeciwciała

Hamowanie syntezy przeciwciał u noworodków przez przeciwciała matki

Charakterystyka poziomu odporności noworodka przeciw chorobie zakaźnej

Odporność bierna noworodka otrzymana od matki (linia przerywana)

Wrażliwość na infekcje Osiągnięcie pełnej kompetencji immunologicznej (linia ciągła)

Rola biernych przeciwciał w rozwoju odporności

Roitt I., Brostoff J., Male D., Immunology, 2001, s. 180.

Przeciwciała anty-idiotypowe

Komórki odpornościowe

Regulacja odpowiedzi immunologicznej przez APC

mDC FDC pDC

CD11c+,

CD123low,

MHC II

Narządy

limfoidalne, krew,

wszystkie tkanki

Przetwarzanie i

prezentacja

antygenu

CD11c-,

CD123bright,

Narządy

limfoidalne, krew,

Słaba zdolność do

przetwarzania i

prezentacji Ag

Synteza IFN typu I

CD11b, CD21,

CD35,CD32

Węzły limfatyczne,

śledziona

Nie przetwarzają Ag

Udział w tworzeniu

pamięci

immunologicznej

Rodzaje komórek dendrytycznych

Szpik kostny

Tkanki i narządy nielimfoidalne

Czynniki

indukujące

dojrzewani

e

Dojrzała mDC

Niedojrzała

mDC

pDC

Narządy limfoidalne

Migracja i stadia rozwoju DC

TLR

Dojrzała mDC: MHCII, CD80, CD86,

CD40

Regulacja komórek odporności wrodzonej przez komórki odporności nabytej

1. Patogen bezpośrednio aktywuje Ma/Dc

2. Ma/Dc aktywują komórki odporności

wrodzonej (NK)

3. Treg/Breg hamuja aktywność Ma/DC

Th1

APC

Th

Rola TLR i APC w aktywacji limfocytów Th

Th2

Treg

Odpowiedź

humoralna

Supresja

Odpowiedź

komórkowa

IFN-g

IL-2

TNF-b

IL-4

IL-5

IL-10

IL-13

IL-10

TGFb

TLR

patogen

Rola TLR i APC w aktywacji limfocytów Th

Regulacja odpowiedzi immunologicznej przez limfocyty T (Th1, Th2, Treg)

Regulacja Th1/Th2

http://scriptureofscience.blogspot.com/2011/12/suppression-of-immune-system-t.html

Różnicowanie efektorowych limfocytów Th

Limfocyty T regulatorowe

Mechanizmy supresji przez limfocyty Treg

Tkankowo swoiste regulatorowe limfocyty T

Lund F.E., Randall T.D. Effector and regulatory B cells:modulators of CD4+ T cell immunity.

Nature Rev Immunol, 2010, 10: 236

Limfocyty B efektorowe vs regulatorowe w odpowiedzi odpornościowej

Funkcjonalne różnicowanie limfocytów Breg i mechanizmy regulatorowe

Mauri C., Bosma A. Immune regulatory function of B cells. Annu Rev Immunol. 2012, 30:221

Gdy regulacja zawodzi…….

Cytokiny

Cytokiny:

grupa białek o małym ciężarze cząsteczkowym

ich synteza jest indukowana przez czynnik aktywujący komórkę (Ag, PAMP, DAMP, interakcje pomiędzy komórkami układu odpornościowego, ……………)

krótki okres półtrwania

działanie antygenowo-nieswoiste

wywierają efekt biologiczny po związaniu ze specyficznymi receptorami w błonie komórek docelowych

indukują kaskadę cytokin

zmieniają ekspresję genów w komórkach docelowych wpływają na ich rozwój i funkcje

wykazują aktywność plejotropową, synergistyczną, antagonistyczną i redundancję

Indukcja syntezy cytokin i sposób ich działania

Kuby Immunology, W.H. Freeman and Company, Sixth edition

Cytokiny: synteza, mechanizm działania

Klasyfikacja cytokin Rodzina cytokin Przykłady Charakterystyka

Rodzina IL-1 IL-1a, IL-1b, IL-1Ra, IL-18, IL-33

Mediatory stanu zapalnego

Rodzina hematopetyn (cytokiny kl.I)

IL-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-6, IL-7, IL-12, IL-13,IL-15,IL-21,IL-23,GM-CSF,G-CSF, GH, Pro, Epo

Różnorodność funkcjonalna

Interferony (cytokiny kl.II) IFN-a, IFN-b, IFN-g, IL-10, IL-19, IL-20, IL-22, IL-24

Modulatory reakcji odpornościowych, IFN – aktywność przeciwwirusowa

Rodzina TNF TNF-a, TNF-b, CD40L, Fas (CD95), BAFF, APRIL, LTb

Homeostaza, funkcje efektorowe, formy rozpuszczalne i błonowe

Rodzina IL-17 IL-17,(IL-17A), IL-17B, C, D i F Pro-zapalne, aktywacja neutrofili

Chemokiny IL-8, CCL19, CCL21, RANTES, CCL2(MCP-1), CCL3(MIP-1a)

Funkcja chemotaktyczna

Cytokiny odporności wrodzonej

Cytokiny odporności nabytej

Cytokiny hematopoezy

A.K.ABBAS,A.H.LICHTMAN Cell Mol Biology

Klasyfikacja receptorów dla cytokin

JAK/STAT w transdukcji sygnału

A.K.ABBAS,A.H.LICHTMAN Cell Mol Biology

Sieć cytokinowa

Kuby Immunology, W.H. Freeman and Company, Sixth edition

Cytokiny w hematopoezie

http://www.copewithcytokines.de/cope.cgi?key=Hematopoiesis

Cytokiny w hematopoezie

Polaryzacja odpowiedzi limfocytów T CD4+

Striz I. et al. Clin. Sci. 2014

Równowaga Th1/Th2 reguluje poziom cytokin

Th1

Th2

IL-4 IL-12

IFN-g

IL-18

IL-10 & TGF-b

Małe powinowactwo

TCR/MHCp

Małe stężenie Ag

Duże powinowactwo

TCR/MHCp

Duże stężenie Ag

Równowaga Th1 vs Th2

Disease Th1 Th2

Experimental Cure Progression

Leishmaniasis

Experimental autoimmune Progression Prevention

encephalomyelitis

Tuberculosis Cure/Prevention Progression

Atopy Prevention? Progression

Type 1 Diabetes (NOD) Progression Prevention

Cytokiny w odporności wrodzonej i nabytej

Th1 Th2

Odpowiedź immunologiczna

prawidłowa

choroby autoimmunizacyjne

Th1-zależne

alergie, choroby autoimmunizacyjne

Th2-zależne Th1

Th2

Th1

Th2

A

C

B

Równowaga Th1/Th2 i skutki jej zaburzenia

R.E. Brown, Neuroendocrinology

Cytokiny regulują syntezę hormonów przysadki

R.E. Brown, Neuroendocrinology

Hormony regulują syntezę cytokin

Czy cytokiny są naprawdę ważne? Myszy z deficytem IL-1, TNF, IL-6 – rozwijają się prawidłowo, nie rozwijają się spontanicznie choroby. Ale, nabierają znaczenia w kontakcie z patogenem. Myszy z deficytem IL-10 i IL-2 – spontaniczny rozwój chorób o podłożu zapalnym. Deficyt IL-18 – spontaniczny rozwój chorób u osobników starych.

Niespodzianki IL-12 + IL-18 indukują syntezę IFN-g (Th1) Sama IL-18 kieruje odpowiedź w stronę Th2. Myszy z deficytem IL-18 produkują mniej IFN-g i charakteryzują się osłabioną reakcją zapalną. Myszy z deficytem receptora IL-18 stają się z wiekiem otyłe, pojawia się zagrożenie cukrzycą i insulinooporność, występuje miażdżyca naczyń. Podwójna funkcja cytokin: aktywator kaskady sygnałowej, klasyczny czynnik transkrypcyjny.

Cytokiny jako biomarkery •Biomarkery chorób, typu infekcji (typu patogenu), stanu zagrożenia chorobą. Statystycznie istotne korelacje i ich znaczenie (korelacje poziomu IL-1 i TNF-a w każdej chorobie). Czy zmiana wobec kontroli jest istotna, ale co oznacza? •Cytokina czy typ komórki determinuje aktywność cytokiny? (IL-1, TNF-a indukują syntezę COX-2 w komórkach odporności wrodzonej. W limfocytach T indukują syntezę IL-2) •Występowanie i działanie systemowe i lokalne •Regulacja neuroendokrynowa, długotrwały stres, neuropeptydy

• Anty-cytokinowe geny wirusów (strategia obronna i jej skutki)

• Endogenne inhibitory cytokin

Regulacja neurohormonalna

Roitt I., Brostoff J., Male D., Immunology, 2001, s. 182.

Potencjalne interakcje między

układem nerwowym,

endokrynowym i odpornościowym

Uproszczony schemat interakcji centralny układ nerwowy – układ odpornościowy

CNS

Hypothalamus

Pituitary

Adrenal gland

Activated

Immune cells

Sympathetic

nervous system

NE

Cytokines

Cytokines

Antibodies

Immune System NE

b2AR

APC B cell Th1 Th2 CTL

podwzgórze

Białka

ostrej

fazy

kora nadnerczy

wątroba

szpik kostny

stan zapalny IL-1, TNF-a, IL-6

IL-1, TNF-a, IL-6

IL-6, TNF-a

ACTH

glukokortykoidy

prostaglandyny Regulacja

reakcji zapalnej

TLR w regulacji interakcji immuno-endokrynnej

Cellular Immunology 252 (2008) 1–6

Interakcje między układem nerwowym, endokrynowym i odpornościowym

HPA HPG HPT

Regulacja funkcji komórek odpornościowych przez neuroprzekaźniki i opioidy

Curr Op Pharmacol 2001, 1:398

5-HT 5-hydroksytryptamina, serotonina, efekt stymulujący

Morfina hamuje aktywność komórek odpornościowych

Aktywność układu odpornościowego w dzień i w nocy

Brak snu skutkuje zwiększeniem

wrażliwości na infekcje

TLR9 (w nocy )

Komórki NK (w nocy )

Cytokiny (IL-12: największy

poziom w nocy; IL-10: największy

poziom w dzień)

Poziom cytokin prozapalnych

zwiększa się w nocy,

przeciwzapalnych – w dzień

Rytmiczne zmiany w aktywności układu odpornościowego (współdziałanie rytmu

dobowego i snu)

Limfocyty T krążą w układzie krwionośnym, zwiększa się stężenie cytokin prozapalnych

Limfocyty T rezydują w narządach limfoidalnych, zwiększa się stężenie cytokin przeciwzapalnych

sen

Rytm dzień/noc układu odpornościowego

organizm nieaktywny organizm aktywny

noc dzień

Układ odpornościowy w

stanie fizjologicznej supresji

GK

GKR

nTreg

Układ odpornościowy w

stanie skutecznej obrony

GK

GKR

nTreg

Wpływ cyklu hormonalnego na odporność w błonach śluzowych dróg rodnych

Hel Z et al. Endocrine Reviews 2010;31:79-97 ©2010 by Endocrine Society

Restrykcja kaloryczna (RK)

Parametr badany Wpływ starzenia Efekt RK (30%)

Limfocyty T naiwne spadek wzrost

Cytokiny prozapalne wzrost spadek

Proliferacja limfocytów

spadek wzrost

Odporność na grypę spadek spadek

Liczba limfocytów w krwi

bez zmian spadek

Choroby autoimmunizacyjne

wzrost (myszy) spadek (myszy)

1998 rok – 66 mln ludzi powyżej 80 roku życia

2050 rok – 370 mln

Grelina i leptyna

Poziom greliny zwiększa się przed jedzeniem, maleje po jedzeniu. RC wpływa na zwiększenie poziomu greliny. Leptyna stymuluje syntezę IL-7 przez TEC. Stężenie leptyny zwiększa się po jedzeniu, maleje przed jedzeniem (zmniejszenie poziomu leptyny stymuluje apetyt).

grelina kontrola

Before Food intake After

Ghrelin

Leptin

Uk

ład

od

po

rno

śc

iow

y

podwzgórze

przysadka

nadnercza

Oś

re

gu

lac

yjn

a H

PA

CRH

kortyzol

ACTH

IL-1,

IL-6,

TNF

• stan zapalny

• atrofia grasicy

• liczba leukocytów w

krążeniu

• proliferacja limfocytów

• rówowaga limfocytów

(Th1 vs Th2)

• synteza przeciwciał

• synteza cytokin

wątroba Białka ostrej fazy

Oś HPA w regulacji odpowiedzi układu odpornościowego Rys. N.Drela

Modulacja aktywności układu odpornościowego w warunkach stresu:

Jaka jest rola hormonów aktywujących funkcje układu odpornościowego?

prolaktyna

hormon wzrostu

insulinopodobny czynnik wzrostu

Hormony białkowe i odporność: trochę historii

- przed 1987: pierwsze wyniki badań wskazujące na rolę hormonów przysadki w rozwoju układu odpornościowego. Do badań użyto szczurów i myszy charakteryzujących się deficytem hormonów: TSH, GH, PRL, ACTH - 1997-2007: leukocyty mogą produkować hormony. Synteza prolaktyny przez limfocyty T jest regulowana przez cytokiny (IL-2, IL-4, IL-1). Sama PRL reguluje syntezę cytokin. Limfocyty produkują GH, PRL i IGF-1 przeciwdziałają skutkom stresu wywołanego przez czynniki fizjologiczne i środowiskowe. Działają przeciwstawnie do GC.

S T R E S – to nie tylko glukokortykoidy

ACTH

glukokortykoidy

Prolaktyna

podwzgórze

układ odpornościowy

przysadka

nadnercza

STRES głodu

przysadka

IGF-I

podwzgórze

Hormon wzrostu

Układ odpornościowy

Insulinopodobny czynnik wzrostu

STRES temperaturowy: niska temperatura środowiska zewnętrznego

przysadka

podwzgórze

grasica

tarczyca

TSH

T3, T4 (przeciwdziałają aktywności glukokortykoidów)

Szybkość przemiany materii

Tolerancja immunologiczna:

zapewnienie odpowiedzi na antygeny obce i brak odpowiedzi na antygeny

własne

Model klonalnej selekcji Burneta

Limfocyt autoreaktywny

Self Ag Klonalna delecja

Limfocyt konwencjonalny

aktywacja

Rozpoznanie obcego antygenu

W fazie rozwoju W okresie dojrzałym

różnicowanie

Medawar’s experiment demonstrating neonatal tolerance induction (Nobel Prize)

x

Indukcja tolerancji neonatalnej (Burnet, Medawar)

Tolerancja immunologiczna

– Specyficzny brak odpowiedzi indukowany kontaktem z antygenem,

– Tolerancja na własne antygeny indukowana jest w życiu płodowym i utrzymywana w wyniku kontaktu z antygenem

– Tolerancja indukowana jest w limfocytach T i B

– Mechanizmy tolerancji są różne

Tolerancja centralna limfocytów T

Tolerancja obwodowa limfocytów T

Mechanizmy tolerancji limfocytów B

Gururajan M et al., Antibodies 2014, 3:116

środowisko

geny

Czynniki wewnętrzne

organizmu (regulacja

odporności)

TRIADA

Mniejsza odporność na

patogeny, alergie, choroby

autoimmunizacyjne

socjalne Środowisko

fizyczne

Układ

odpornościowy

Mózg

CIAŁO

Psychoneuroimmunologia

wg. Cunningham, 1981

Dziękuję za uwagę